Нобелю вопреки российские ученые открыли новую форму вещества

Российские ученые совместно с немецкими и шведскими коллегами совершили фундаментальное, если не сказать сенсационное, открытие в области кристаллохимии. Они обнаружили экспериментально и объяснили теоретически новую форму вещества, существование которой раньше считалось невозможным.

В новом варианте элементы кристаллической решетки соединены не вершинами, а гранями. Обнаружение новой формы вещества сулит революцию в области материаловедения и его инженерных приложений. Ученые предсказывают создание сверхтвердых и сверхтугоплавких материалов, а также прорыв в области предсказания землетрясений.

В первой половине прошлого века великий американский химик Лайнус Полинг сформулировал несколько фундаментальных правил, которым подчиняется кристаллическая форма вещества. Эти правила считались незыблемыми почти 65 лет, в 1954-м году за их открытие была присуждена Нобелевская премия. Однако спустя более чем полувека выяснилось, что из правил Полинга всё же есть исключения.

Недавно коллаборация ученых из России, Швеции, Германии, США и Франции экспериментально и теоретически доказала существование кристаллов, образующих устойчивую форму вопреки правилам Полинга.

— Материал, который был нами синтезирован, по всем представлениям на сегодняшний день не должен существовать, — рассказал российский участник коллаборации, научный руководитель лаборатории разработки моделирования новых материалов НИТУ «МИСиС» Игорь Абрикосов. — Ведь любая система стремится к устойчивому состоянию при минимальном значении ее потенциальной энергии, а мы получили устойчивое состояние при значениях этого показателя далеких от минимума.

Игорь Абрикосов в лаборатории моделирования и разработки новых материалов

Это можно сравнить с игрой в гольф на неровном поле: мяч всегда стремится скатиться с холма в низину, в минимум своей потенциальной энергии. Но иногда лунка находится на вершине холма. Если изловчиться и очень точно попасть в нее мячом, то он останется на холме, и несмотря на большую потенциальную энергию, это состояние окажется устойчивым. Можно сказать, ученые сумели забросить мяч в такую лунку.

Для этого физики-экспериментаторы, входящие в коллаборацию, взяли кристалл коэсита (одна из форм оксида кремния SiO2) размером примерно с треть толщины человеческого волоса, поместили в ячейку с алмазными наковальнями и подвергли гигантскому давлению, примерно 700 тыс. атмосфер. В результате в кристалле произошли четыре фазовых перехода, причем два из них были обнаружены впервые.

— Только недавно ученые нашли способы сохранять качество кристаллов в условиях высоких давлений, — пояснила другая участница коллаборации, научный сотрудник Германского электронного синхротрона (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY) Елена Быкова. — Кроме того, в последнее время сильно шагнули вперед методы сбора данных, позволившие получать информацию даже с таких миниатюрных кристаллов, как в нашем эксперименте.

В результате опытов ученые обнаружили, что в двух новонайденных формах оксида кремния атомы кристаллической решетки — вопреки правилам Полинга — соединены друг с другом не вершинами или ребрами, а гранями. Это означает существование высокоэнергетических «лунок» на том «поле для гольфа», которое представляет собой кристаллическое вещество. И это открытие, по прогнозам ученых, позволит создавать новые материалы с недоступными прежде свойствами.



— Мы сейчас даже представить не можем возможности тех материалов, которые будут созданы с помощью новых знаний, полученных коллегами. Как никто не знал свойства наноматериалов, пока их не сделали, — подчеркнул председатель научного совета РАН по химической термодинамике и термохимии Константин Гавричев. — Вероятно, теперь удастся создать совершенно новые сверхтвердые и сверхтугоплавкие формы вещества. А ведь в наше время тот, кто владеет материалами — тот владеет миром.

Игорь Абрикосов надеется, что дальнейшие исследования позволят, в частности, создать новые устойчивые формы перовскита — материала, применяемого в солнечных батареях, и это произведет переворот в зеленой энергетике.

Кроме того, открытие новой формы оксида кремния будет крайне интересно геохимикам и геофизикам. По их оценкам, концентрация кремнесодержащих соединений в мантии Земли составляет более 45%, причем давление в этом слое — примерно того же порядка, что и в описываемом эксперименте.

Вероятно, именно вновь открытая форма вещества составляет львиную долю земной мантии и оказывает решающее влияние на процесс распространения сейсмических волн. По мнению Константина Гавричева, теперь можно будет наконец полностью разобраться в природе этих волн и приблизиться к тому, чего человечество давно ждет от ученых: умению точно предсказывать землетрясения.

Дмитрий Людмирский

Справка

Коэсит (англ. Coesite) — высокобарическая модификация кремнезема (химическая формула: SiO₂). Искусственный аналог коэсита был синтезирован в 1953 году американским химиком Лорингом Коэсом.

* * *